F48-70型水下防噴器組研制

侯國慶，許宏奇，粟　京，吳占偉，孟慶榮，劉　健，蔡寶平

(1．河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552；2．中國海洋石油總公司 深水鉆井船項目組，北京 100016；3．中海石油研究總院，北京 1000273；4．中國石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院(華東)，山東 青島 266580)

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F48-70型水下防噴器組研制

侯國慶1，許宏奇1，粟京2，吳占偉1，孟慶榮1，劉健3，蔡寶平4

(1．河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552；2．中國海洋石油總公司 深水鉆井船項目組，北京 100016；3．中海石油研究總院，北京 1000273；4．中國石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院(華東)，山東 青島 266580)

結(jié)合目標(biāo)平臺，采用防噴器結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、膠芯超彈性復(fù)合體三維仿真模擬分析技術(shù)、高強(qiáng)度高韌性低合金鋼制造技術(shù)、抗硫剪切閘板設(shè)計制造技術(shù)、耐高溫膠料配方及硫化技術(shù)等水下防噴器組關(guān)鍵技術(shù)，研制出了國內(nèi)首套F48-70型水下防噴器組。F48-70型水下防噴器組配置了抗硫剪切閘板、耐溫177 ℃管子閘板、耐溫149 ℃變徑閘板，可滿足高溫高壓、高含硫井鉆井作業(yè)要求。該防噴器組通過了中國船級社、挪威船級社、四川科特石油工業(yè)井控質(zhì)量安全監(jiān)督測評中心等第三方的檢驗，檢驗結(jié)果符合API Spec 16A要求，為該水下防噴器在海上應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

水下防噴器；高溫高壓；剪切閘板；H2S；有限元

1　總體設(shè)計

F48-70型水下防噴器組由2FZ48-70型閘板防噴器和FH48-35型環(huán)形防噴器兩種規(guī)格防噴器組合而成，結(jié)合水下控制箱、節(jié)流壓井管線等其他設(shè)備實現(xiàn)水下鉆井作業(yè)的井控功能。F48-70型水下防噴器組在外部連接尺寸和形式上能與目標(biāo)平臺在用防噴器互換，閘板防噴器上下采用卡箍連接結(jié)構(gòu)形式，環(huán)形防噴器下部連接為卡箍結(jié)構(gòu)形式，上部采用英制螺紋連接形式。閘板防噴器配置耐溫177 ℃管子閘板、耐溫149 ℃大范圍(88.9～193.7 mm)變徑閘板和抗硫剪切閘板，滿足高溫高壓、高含硫井的作業(yè)需要。F48-70型水下防噴器組主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1　F48-70型水下防噴器主要技術(shù)參數(shù)

1.12FZ48-70閘板防噴器總體設(shè)計

2FZ48-70型閘板防噴器主要由閘板密封、側(cè)門密封、液壓鎖緊等結(jié)構(gòu)組成(三維模型如圖1)，與同規(guī)格CAMERON U型防噴器一致，可依據(jù)鉆井作業(yè)需要配置高抗硫剪切全封閘板總成、管柱閘板總成或大范圍變徑閘板總成[1]；防噴器采用液壓開關(guān)側(cè)門[2]，實現(xiàn)快速更換閘板；采用液壓自動鎖緊閘板方式[3]，可同步鎖緊與關(guān)閉閘板，解鎖與開啟油路順序操作；殼體、閘板體、側(cè)門等承壓件采用高強(qiáng)度、高韌性低合金的材料，保證防噴器使用安全可靠；與井液接觸的密封表面及鋼圈槽堆焊耐蝕合金，其他密封溝槽及密封配合表面進(jìn)行防腐處理，保護(hù)密封部位不被海水腐蝕；殼體的閘板腔體采用長圓形截面，腔室結(jié)構(gòu)尺寸小，采用大圓弧光滑連接，減小結(jié)構(gòu)不連續(xù)造成的應(yīng)力集中；閘板體采用長圓形整體結(jié)構(gòu)，前密封和頂密封可根據(jù)損壞情況單獨更換，底部鑲嵌耐磨板，減少閘板與殼體的磨損、拉傷等；側(cè)門密封采用浮動密封結(jié)構(gòu)，減少側(cè)門螺栓的上緊力矩，提高密封可靠性。

圖1　2FZ48-70型雙閘板防噴器三維模型

1.2FH48-35環(huán)形防噴器總體設(shè)計

FH48-35型環(huán)形防噴器[4]采用球形膠芯結(jié)構(gòu)，主要部件有殼體、頂蓋、活塞、防塵圈及球形膠芯(三維模型如圖2)，配有蓄能器油路孔，安裝蓄能器后，可實現(xiàn)帶壓起下鉆作業(yè)；殼體、頂蓋、活塞采用高強(qiáng)度、高韌性的低合金材料，保證防噴器使用安全可靠；殼體與頂蓋采用爪塊式聯(lián)結(jié)，拆裝迅速、方便省力；活塞與殼體等配合面采用涂層處理，可有效防止活塞拉傷；密封件及球形膠芯可與SHAFFER同規(guī)格防噴器互換；鋼圈槽與密封槽堆焊耐蝕合金，提高密封槽防腐性能。

圖2　FH48-35型環(huán)形防噴器三維模型

2　關(guān)鍵技術(shù)

2.1進(jìn)口水下防噴器設(shè)計互換和改進(jìn)技術(shù)

對比分析國外不同廠家同規(guī)格防噴器結(jié)構(gòu)及技術(shù)性能參數(shù)的區(qū)別，調(diào)研國內(nèi)在役半潛式鉆井平臺防噴器使用中存在的問題，結(jié)合國內(nèi)多年積累的防噴器設(shè)計核心技術(shù)，進(jìn)行改進(jìn)和互換設(shè)計。防噴器在外部連接尺寸、關(guān)鍵配件及密封結(jié)構(gòu)與國外同類防噴器保持一致，可與目標(biāo)平臺國外同規(guī)格防噴器替換使用。 在防噴器局部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，例如活塞密封由單向密封改為雙向密封(如圖3)，增加了防噴器密封可靠性；鎖緊機(jī)構(gòu)增加順序閥[5]，減少了控制油路數(shù)量；側(cè)門密封采用浮動密封結(jié)構(gòu)，減少側(cè)門螺栓上緊轉(zhuǎn)矩；零件表面涂覆功能性涂料，提高了耐海洋環(huán)境腐蝕能力。

a　目標(biāo)平臺單向活塞密封圈結(jié)構(gòu)

b　雙向密封圈結(jié)構(gòu)

2.2關(guān)鍵承壓件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

由于防噴器承壓件的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，無法依靠常規(guī)的理論公式進(jìn)行強(qiáng)度校核。通過采用有限元分析，合理構(gòu)建有限元三維模型，根據(jù)不同校核要求，其材料分別采用彈性模型和彈塑性模型，充分考慮各種載荷影響因素，對應(yīng)力進(jìn)行線性化處理，得出強(qiáng)度評定所需的各應(yīng)力分量，包括薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力等[6]，應(yīng)用通用的國際標(biāo)準(zhǔn)API Spec 16A[7]和ASME規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度校核。

通過對閘板防噴器殼體、側(cè)門、閘板及環(huán)形防噴器殼體、頂蓋、爪盤等關(guān)鍵承載件的三維有限元模擬分析，經(jīng)過多次優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計，完成了承載件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其結(jié)果符合應(yīng)力限定準(zhǔn)則的要求，能夠在額定工作壓力下安全有效的工作。優(yōu)化后防噴器整機(jī)質(zhì)量比國外同規(guī)格防噴器減少5%以上。優(yōu)化后的閘板防噴器殼體和環(huán)形防噴器殼體的應(yīng)力云圖如圖4所示。

a　閘板防噴器殼體應(yīng)力云圖

b　環(huán)形防噴器殼體應(yīng)力云圖

2.3膠芯超彈性復(fù)合體三維仿真模擬分析技術(shù)

以大型有限元軟件為平臺，針對金屬骨架與密封橡膠的復(fù)雜多體超彈性大變形結(jié)構(gòu)開發(fā)計算建模技術(shù)。通過試驗確定彈性體的材料性能，建立了材料特性數(shù)據(jù)庫。研究有限元分析流程與方法，綜合運用材料非線性，幾何非線性和邊界條件非線性技術(shù)，對環(huán)形膠芯和大范圍變徑膠芯(如圖5)進(jìn)行三維仿真模擬[8-9]，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相吻合。同時，對環(huán)形防噴器的活塞行程和閘板防噴器閘板行程進(jìn)行了估算，為防噴器整機(jī)設(shè)計提供理論依據(jù)。

a　環(huán)形膠芯位移云圖

b　大范圍變徑膠芯位移云圖

2.4防噴器溫度場模擬分析技術(shù)

水下防噴器由于海水溫度較低，同時受到海水和波浪的作用，在防噴器的表面形成強(qiáng)對流狀態(tài)，加速了溫度的循環(huán)。在陸地上的防噴器，由于空氣的溫度較高，空氣對流強(qiáng)度小，溫度循環(huán)較慢。因此，防噴器在不同的使用場所，防噴器不同的部位所使用的密封件溫度等級也有所不同。采用有限元分析軟件進(jìn)行防噴器在各種使用環(huán)境下的溫度場模擬。溫度場分析認(rèn)為，在井內(nèi)流體177 ℃情況下，地面防噴器所有密封件均需要高溫密封件，而水下防噴器僅接觸井液的閘板前密封和頂密封需要更換高溫密封件。溫度場模擬分析技術(shù)為高溫高壓鉆井作業(yè)時密封件溫度等級的選擇提供了參考依據(jù)[10]。

2.5高強(qiáng)度高韌性低合金鋼制造技術(shù)

閘板防噴器殼體、閘板體等關(guān)鍵承壓件采用了最新研制的RS002高韌性高強(qiáng)度低合金鋼鍛件材料，力學(xué)性能達(dá)到586 MPa(85 kpsi)；環(huán)形防噴殼體、頂蓋采用了ZG25CrNiMo高韌性低合金鋼鑄件材料，力學(xué)性能達(dá)到517 MPa(75 kpsi)。通過優(yōu)化RS002材料化學(xué)成分，控制鋼中的各種夾雜物的含量，合理制定熱處理工藝，進(jìn)行材料性能測試和金相分析，研究調(diào)質(zhì)后截面的硬度分布、不同位置的組織變化以及系列試驗溫度下的韌性性能、組織變化情況，保證材料綜合性能達(dá)到最優(yōu)。該材料全截面硬度梯度無明顯下降(如圖6)，淬透性良好；材料焊接工藝通過DNV(挪威船級社)認(rèn)證，焊接性能良好；材料由中國石油大學(xué)(北京)測試中心進(jìn)行了抗應(yīng)力腐蝕開裂性能試驗，符合NACE 0177—2005的要求[11]。

圖6　RS002材料全截面硬度分布

2.6抗硫剪切閘板設(shè)計制造技術(shù)

抗硫剪切閘板[12](如圖7)分為上閘板和下閘板兩部分，上下刀體均采用嵌入式裝配。采用V形刀刃，雙V刀，雙刀的結(jié)構(gòu)可以有效地降低實際剪切關(guān)閉壓力，提高剪切能力。并且刀刃有一段零前角，可以提高刀刃的強(qiáng)度。刀刃兩端還有負(fù)前角，使刀刃能順利地合攏，避免切傷密封件。剪切刀體表面采用特種涂層處理，鍍層耐H2S、CO2、鹽水腐蝕，具有優(yōu)良耐蝕特性。剪切閘板剪切鉆桿7次后，刀體表面磁粉無缺陷。 刀體涂層與基體具有高的結(jié)合力，耐磨性好，韌性好，耐剪切沖擊性能強(qiáng)[13]。刀體涂層在加載應(yīng)力為85%YSmin條件下，經(jīng)720 h加載試驗，試樣未發(fā)生腐蝕和斷裂，符合NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7　高抗硫剪切閘板

2.7耐高溫橡膠材料配方及硫化技術(shù)

為同時滿足耐高溫和高抗硫二方面要求，選用氫化丁腈橡膠為主材料，通過加入與氫化丁腈橡膠相容性好的尼龍和酚醛樹脂兩種塑料對橡膠進(jìn)行了改性。為了使氫化丁腈橡膠獲得較好的硫化性能，選取低硫高促體系、過氧化物體系、硫磺與過氧化物并用體系3種不同的硫化體系分別對3種牌號的氫化丁腈生膠進(jìn)行硫化，對比硫化膠及其在鹽酸介質(zhì)中腐蝕后的物理性能，優(yōu)選出綜合性能最佳的生膠及相應(yīng)的硫化體系。

圖8　88.9～193.7 mm大范圍變徑閘板密封88.9 mm鉆桿149 ℃試驗后照片

3　試驗與第三方認(rèn)證

F48-70型防噴器完成試制后，在四川科特石油工業(yè)井控質(zhì)量安全監(jiān)督測評中心和中國船級社等第三方監(jiān)督下，閘板防噴器按照API Spec 16A的要求進(jìn)行出廠試驗、密封性能試驗、疲勞試驗、剪切閘板試驗、懸掛試驗、閘板拆裝試驗、閘板鎖緊裝置試驗、設(shè)計溫度驗證試驗(如圖9)等，環(huán)形防噴器進(jìn)行了密封性能試驗、疲勞試驗(如圖10)、拆裝試驗、設(shè)計溫度驗證試驗等，各項試驗結(jié)果符合API Spec 16A的要求。中國船級社進(jìn)行了包括防噴器設(shè)計圖紙、工藝規(guī)范、產(chǎn)品制造、檢驗試驗等在內(nèi)的產(chǎn)品研發(fā)全過程的審查和監(jiān)督，頒發(fā)了產(chǎn)品型式認(rèn)可證書，挪威船級社審查了產(chǎn)品設(shè)計和工藝規(guī)范、試驗曲線等產(chǎn)品資料，現(xiàn)場見證了工廠試驗，頒發(fā)了產(chǎn)品見證證書。 四川科特石油工業(yè)井控質(zhì)量安全監(jiān)督測評中心見證了防噴器的所有試驗，包括管子閘板膠芯高溫177 ℃試驗和變徑閘板149 ℃高溫試驗，頒發(fā)了防噴器性能檢驗報告和防噴器高溫試驗檢驗報告。

2014-12-30，中海油深水鉆井船項目組組織專家對F48-70型水下防噴器進(jìn)行了現(xiàn)場驗收，專家一致同意通過驗收，并建議進(jìn)一步推動F48-70型水下防噴器在海上進(jìn)行應(yīng)用。

圖9　閘板防噴器設(shè)計溫度驗證試驗

圖10　FH48-35型環(huán)形防噴器疲勞試驗

4　結(jié)論

1)F48-70型水下防噴器取得了中國船級社型式認(rèn)可證書，挪威船級社審查了產(chǎn)品設(shè)計和制造資料并現(xiàn)場見證了工廠試驗，防噴器性能試驗、177 ℃高溫管子閘板膠芯及149 ℃高溫變徑閘板膠芯通過了四川科特石油工業(yè)井控質(zhì)量安全監(jiān)督測評中心的檢驗，各項指標(biāo)符合API Spec 16A要求，為進(jìn)一步推動水下防噴器海上應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2)研究的耐高溫膠芯和抗硫剪切閘板為水下高溫高壓、高含硫井勘探開發(fā)提供了備件保障。該技術(shù)不僅可用于F48-70、F48-105型水下防噴器，也可在陸地防噴器高溫高壓、高含硫井勘探開發(fā)中推廣應(yīng)用。

3)F48-70型水下防噴器組雖然通過了第三方檢驗和專家驗收，但海上應(yīng)用還需各參與單位緊密合作，制定風(fēng)險預(yù)案，確保海上鉆井作業(yè)安全。

[1]楊永寧，屈志明，李三平，等．閘板防噴器用大范圍變徑閘板：中國，CN201520284030[P]．2015-09-23．

[2]吳占偉，許宏奇，蘇尚文．液壓開啟側(cè)門防噴器：中國，CN200920166925[P]．2010-05-26．

[3]趙榮軍，許宏奇，蘇尚文．閘板防噴器自動鎖緊裝置：中國，CN200520000277[P]．2006-07-26．

[4]侯國慶，許宏奇，粟京，等．一種水下環(huán)形防噴器：中國，CN201410068772[P]．2014-06-11．

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[6]王冬雪，吳占偉，樵英，等．水下用FHZ48-70型環(huán)形防噴器承壓件有限元分析[J]．石油礦場機(jī)械，2013，42(9)：12-15．

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Development of F48-70 Subsea BOP Stack

HOU Guoqing1，XU Hongqi1，SU Jing2，WU Zhanwei1，MENG Qingrong1，LIU Jian3，CAI Baoping4

(1．Rongsheng Machinery Manufacture Ltd.of Huabei Oilfield，Renqiu 062552，China；2． Deepwater Drilling Unit Project Group，CNOOC，Beijing 100016，China；3．CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China；4．College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China)

To combine with the target platform，the first domestic F48-70 subsea BOP stack were developed by using the key technology of subsea BOP that such as BOP structure optimization technology，three dimensional simulation and analysis of the super elastic complex of rubber packing unit，high strength and high toughness of low alloy steel making technology，anti sulfur shear ram design and manufacturing technology，high temperature resistant rubber formula and vulcanization technology，etc.The BOP stack configuration resisting H2S shear ram，177 ℃ temperature pipe ram，149 ℃ temperature variable bore ram，which can meet the high temperature，high pressure，high content of H2S well drilling.The BOP stack passed third inspection of CCS，DNV and Sichuan Kete Petroleum Well-control Quality Inspection Center.Test results meet the requirement of API Spec 16A which lay offshore application foundation for the subsea BOP.

subsea BOP；HTHP；shear ram；H2S；finite element analysis

1001-3482(2016)05-0037-06

2015-11-21

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)“深水防噴器組及控制系統(tǒng)工程化研制”(2013AA09A220)；國家科技重大專項“深水半潛式鉆井平臺及配套技術(shù)”(2011ZX05027-001)

侯國慶(1972-)，男，河南安陽人，高級工程師，碩士，現(xiàn)從事海洋井控裝備技術(shù)研究工作，E-mail：hou_y0503@126.com。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.008